时隔五月，重氮烯烃再上Nature Chem.

重氮烷烃（R¹R²C=N₂）是一类含氮有机化合物（图1，左）。1883年，Curtius报道了首例重氮烷烃——重氮乙酸乙酯（Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1883, 16, 2230–2231）。经过一个多世纪的研究，重氮烷烃作为最重要的合成子之一，被广泛应用于合成化学、化学生物学和材料化学等领域。然而，另一类重要的重氮化合物，即重氮烯烃（R¹R²C=C=N₂）却极为罕见（图1，右）。事实上，直至1987年，Bott才首次报道了原位形成重氮烯烃，但是无法分离这类反应活性极高的物种（Chem. Ber., 1987, 120, 1867–1871）。

图1. 重氮烷烃和烯烃。图片来源：Nat. Chem.

1988年，理论化学家预测重氮烯烃母体（H₂C=C=N₂）并非直线型，C-N-N键角为117度。消除氮气的能垒为6.9 kcal/mol，预估在-90 ℃下半衰期为0.3 ms（J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, 364–368）。综上，一系列的实验和理论证据表明，重氮烯烃具有极低的热力学稳定性和极高的化学反应性，属于一种“不稳定”的有机官能团。

然而，科学家并没有停止探索重氮烯烃的步伐。今年4月29日，Nature Chemistry 发表了多特蒙德工业大学Max Hansmann教授课题组有关重氮烯烃的相关工作 ^[1]。他们首次分离表征了室温下稳定的重氮烯烃。时隔五个月后，10月7日，Nature Chemistry 再次刊发了瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Kay Severin教授课题组重氮烯烃的有关研究 ^[2]。

为了方便介绍，本文将两个重氮烯烃分别称为“重氮烯烃I”（图2，化合物2）和“重氮烯烃II”（图3，化合物1）；合成重氮烯烃的前体分别为介离子氮杂环烯烃（mNHO，图2，化合物1）和氮杂环烯烃（NHO，图3）。

图2.“重氮烯烃I”（化合物2）的合成。图片来源：Nat. Chem.

图3.“重氮烯烃II”（化合物1）的合成。图片来源：Nat. Chem.

Hansmann和Severin课题组合成重氮烯烃的方法相同，只需向mNHO和NHO溶液里通入一氧化二氮（N₂O）气体即可。反应简单高效地生成了相应的“重氮烯烃I”和“重氮烯烃II”。有趣的是Hansmann教授课题组还成功分离到了其中一个副产物，并推测了该反应的机理（图2）。

Hansmann和Severin课题组运用红外光谱、X-单晶衍射、核磁共振（¹³C同位素标记）、热重分析（TGA）、高分辨质谱等一系列技术对自己合成的重氮烯烃进行了系统的表征。对于C=N=N结构单元的伸缩振动频率，两篇文章所涉及的重氮烯烃化合物均小于有机重氮化合物（v = 2017–2180 cm^–1）和重氮盐（v = 2137–2306 cm^–1）。其中，固体“重氮烯烃I”中的频率v = 1944 cm^–1 （THF溶液中: v = 1951 cm^–1）。这个结果符合这类分子的理论预测，即电子密度集中在C=N=N单元上。

两个课题组都对重氮烯烃的键长键角进行了分析和比较（图4）。“重氮烯烃I”和“重氮烯烃II”均表现出很好的热稳定性，但对紫外光极为敏感。在固体或溶液状态下，“重氮烯烃I”可以在惰性氛围中室温存放几天；而在加热至175 ℃的高温时，TGA显示“重氮烯烃II”的质量几乎没有损失。

图4. Severin课题组重氮烯烃的测量数据。图片来源：Nat. Chem.

Hansmann课题组对“重氮烯烃I”的共振式进行了详细分析（图5）。他们探讨了2^s与一系列相关重氮烯烃的结构及其解离氮气的能量变化（图6, a-c）。如果重氮烯烃的取代基为吸电性或电中性基团，当失去氮气后，形成的亚乙烯基（vinylidene）倾向于单线态（E_S/T= −40 ~ −30 kcal/mol，图6d, C）。而供电性基团的亚乙烯基倾向于三线态（图6d, D）。通过CASSCF和NEVPT2理论计算确定2^s失去氮气后的亚乙烯基为三线态（其中NEVPT2理论计算显示该亚乙烯基的最低单线态为开壳层单线态，其能量比三线态的高15.2 kcal/mol，本质上二者电子构型相同；而闭壳层单线态亚乙烯基的能量比三线态的高21.1 kcal/mol），该三线态亚乙烯基的一个单电子离域在烯基一侧的氮杂环中。上述研究表明供电子性的氮杂环对2^s的稳定性起到关键作用。

图5.“重氮烯烃I”的共振式。图片来源：Nat. Chem.

图6.“重氮烯烃I”的理论分析。图片来源：Nat. Chem.

Severin课题组对“重氮烯烃II”的共振式进行了讨论，并进行了相应的理论研究（图7）。在M06-2X/6-311+G(d,p)方法下优化的结构与晶体结构吻合较好，较大的单线态与三线态能级差（ΔE_ST = 45.5 kcal/mol）符合“重氮烯烃II”在实验中表现出的抗磁性。前线轨道分析显示，HOMO和HOMO-1在中心碳原子出现最大的轨道系数。HOMO为π型轨道，HOMO-1为σ型轨道。这两个最高占据轨道表明“重氮烯烃II”的中心碳原子表现出特殊零价碳的性质（中心碳被两个配位键稳定并含有两对孤电子），该重氮烯烃中心碳原子具有强的配位性质，这对它后续的反应性有重要的影响。

图7.“重氮烯烃II”的共振式及其前线分子轨道。图片来源：Nat. Chem.

重氮化合物极容易失去一分子氮气，在有机合成中常作为卡宾前体。重氮烯烃也不例外，在光解的条件下，失去氮气后生成相应的高活性亚乙烯基中间体，与相邻的化学键发生插入反应（图8和图9）。

图8.“重氮烯烃I”的光解工作。图片来源：Nat. Chem.

图9.“重氮烯烃II”的光解反应。图片来源：Nat. Chem.

随后两个课题组探究了重氮烯烃的反应性。“重氮烯烃I”与路易斯酸B(C₆F₅)₃的反应在乙醚和甲苯中分别生成了两种配位模式的产物，表明了“重氮烯烃I”具有双配位模式（即烯基C与重氮N都表现出路易斯碱性），且该配位作用均没有导致氮气的解离（图10）；“重氮烯烃I”与金配合物(Me₂S)AuCl反应则生成了偶氮桥连的产物。

“重氮烯烃II”与(Me₂S)AuCl反应则生成了中心碳与金配位的产物，且“重氮烯烃II”与一价铑[RhCl(CO)₂]₂、二价钯[PdCl(C₃H₅)]₂、三价铝AlCl₃的反应均生成了类似的中心碳与金属配位的产物（图11）；这一实验结果与“重氮烯烃II”前线轨道分析的反应性吻合较好，该重氮烯烃的中心碳原子有较强的配位能力。此外，“重氮烯烃II”可以与多种不饱和试剂（比如二硫化碳CS₂、马来酰亚胺、丁炔二酸二甲酯及四氰基乙烯）进行环加成反应（图12）。

图10.“重氮烯烃I”的反应性。图片来源：Nat. Chem.

图11.“重氮烯烃II”与金属的配位反应。图片来源：Nat. Chem.

图12.“重氮烯烃II”与不饱和化合物的反应。图片来源：Nat. Chem.

至此，笔者简要介绍了Hansmann和Severin教授课题组对两种氮杂环烯烃与N₂O反应生成重氮烯烃的研究。合适的取代基（氮杂环卡宾或氮杂环介离子卡宾取代基）可以稳定重氮烯烃官能团。有机化学发展至今，挖掘各类官能团的新颖性质仍然是研究热点。然而，发展新型有机官能团极具挑战性。上述工作将开启重氮烯烃在合成化学中的应用。事实上，Hansmann近期又报道了重氮烯烃转变为其他官能团的报道（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 12878–12885）。然而，合成含有一般取代基团的重氮烯烃或重元素取代的重氮烯烃（E=C=N₂）仍充满挑战，期待更多优秀的工作被报道。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Isolation and reactivity of an elusive diazoalkene

P. W. Antoni, C. Golz, J. J. Holstein, D. A. Pantazis & M. M. Hansmann 

Nat. Chem., 2021, 13, 587–593, DOI: 10.1038/s41557-021-00675-5

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Isolation and characterization of diazoolefins

Paul Varava, Zhaowen Dong, Rosario Scopelliti, Farzaneh Fadaei-Tirani & Kay Severin 

Nat. Chem., 2021, 13, 1055–1060, DOI: 10.1038/s41557-021-00790-3

（本文由LLL_SUSTech供稿）